一种几何自适应加工设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种几何自适应加工设备。本发明专利技术还公开了一种几何自适应加工方法，包括以下步骤：(1)装夹固定加工件；(2)通过工业相机获取待加工区域及其周围的图像，通过模板匹配方式获得图像中待加工区域的图像坐标，计算待加工区域的数控机床坐标系坐标，作为线激光扫描仪扫描区域的位置基准；(3)根据获得的待加工区域位置，规划线激光扫描仪的扫描区域和扫描路径，获得待加工区域及其周围的加工件局部表面形貌三维点云信息，获得重构加工曲面模型；(4)根据重构加工曲面模型生成铣削加工轨迹，进行加工，使待加工区域表面平整光滑。本发明专利技术可实现待加工区域的自主寻位，成品表面形貌可以根据毛坯表面形貌进行动态调整。可以根据毛坯表面形貌进行动态调整。可以根据毛坯表面形貌进行动态调整。

【技术实现步骤摘要】
一种几何自适应加工设备及方法


[0001]本专利技术涉及几何自适应数控加工
，尤其涉及一种几何自适应加工设备及方法。

技术介绍

[0002]在和制造业息息相关的航空、航天、船舶等工业领域中，复杂结构件尤其是复杂曲面件应用广泛，如大型舰船螺旋桨、航空发动机叶片、汽车覆盖件精密模具等。当前，加工此类零件最普遍的方式为直接打磨或铣削加工后进行表面的抛光处理。而打磨铝合金材料时，最直接的危害是产生的大量铝粉尘不仅污染环境，易引起爆炸事故，而且长时间接触铝粉尘可能直接损害成骨细胞的活性，导致脑病、骨病、肾病、非缺铁性贫血、铝尘肺甚至铝中毒。所以在部分场所中使用以铣削的方式代替铝合金的表面打磨方式，不仅可以提高加工效率，而且具有重要的社会和环境效益。
[0003]传统的数控加工流程是先根据CAD设计模型分析，计算加工运动轨迹，实现工件坐标系与机床坐标系对齐，使工件在机床或夹具中处于预设的精确位置。然而，由于人工找正精度和效率低等原因，更容易导致局部加工余量或轮廓容差无法保证等问题，而设计专用夹具会造成生产准备时间和成本的增加。由于加工轨迹是根据固定的CAD模型进行计算所得，所以只能根据统一的加工程序进行。当加工成品的各异性较大，尤其是成品需要根据毛坯的形貌进行实时调整时，加工效率低。对于一些大型重型工件，其位置难以微调，要实现在机床上的精确定位十分困难。此外，一些毛坯件存在尺寸不一、与理论模型相差较大、加工余量分布不均匀等问题，会引起切削力变化和振动现象，导致加工误差。对于具有复杂曲面的精密零件，有时还需要在相邻工序间对工件实际外形进行测量，以便及时发现加工偏差，进行后续加工路径的补偿或自适应调整。在这样的背景下产生了自适应加工技术，自适应加工技术是一种集状态测量、数据分析、自主决策和精确执行等功能为一体的制造技术。其核心思路是通过各种传感技术，完成对加工零件的测量并将测量结果反馈至加工系统，调整加工策略，实现针对部分加工质量指标参数的闭环控制。
[0004]目前自适应加工模式大多为将实测数据与预设CAD模型数据进行多约束配准，实现加工基准的重合，在此基础上加工出目标CAD模型所表达的工件形貌，也就是说其加工必须在标准CAD设计模型和人工对刀找正的基础上才可以规划加工轨迹。但是现有自适应加工方式在毛坯装夹位置不精确、待加工区域处于工件表面不同位置的情况下无法自动定位需要加工的区域，在目标加工件毛坯形貌相似但存在各异性的情况下，无法根据毛坯表面形貌进行动态的调整。

技术实现思路

[0005]针对现有技术不足，本专利技术的目的在于提供一种在曲率较小的自由曲面上进行待加工区域自主寻位、局部表面曲面拟合以及自动生成加工轨迹的几何自适应加工设备及方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术一实施例提供的技术方案如下：
[0007]一种几何自适应加工设备，包括：
[0008]柔性夹具，所述柔性夹具包括相对设置的固定顶针阵列和移动顶针阵列，所述移动顶针阵列能够靠近或背离所述固定顶针阵列运动，所述固定顶针阵列与移动顶针阵列之间用于装夹加工件，所述加工件上具有待加工区域；
[0009]工业相机，用于获取所述待加工区域及其周围的图像；
[0010]线激光扫描仪，用于获取待加工区域及其周围的加工件局部表面形貌三维点云信息，所述线激光扫描仪连接线激光扫描仪控制器；
[0011]PLC；
[0012]所述工业相机、线激光扫描仪控制器、PLC均通过以太网交换机与工控机相连接，完成局域网组网。
[0013]一种几何自适应加工方法，使用上述的几何自适应加工设备，包括以下步骤：
[0014](1)使加工件的待加工区域位于固定顶针阵列与移动顶针阵列之间，并使待加工区域朝上设置，装夹固定加工件；
[0015](2)数控机床的主轴移动至工业相机的拍摄位置，通过工业相机获取待加工区域及其周围的图像，通过模板匹配方式获得图像中待加工区域的图像坐标，并根据工业相机坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，计算待加工区域的数控机床坐标系坐标，作为线激光扫描仪扫描区域的位置基准；
[0016](3)根据所述步骤(2)获得的待加工区域位置，规划线激光扫描仪的扫描区域和扫描路径，获得待加工区域及其周围的加工件局部表面形貌三维点云信息，对点云信息进行点云直通滤波处理，提取待加工区域以外的点云信息，通过曲面拟合的方式获得重构加工曲面模型；
[0017](4)根据获得的重构加工曲面模型生成铣削加工轨迹，根据该铣削加工轨迹进行加工，使待加工区域表面平整光滑。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤(2)中的模板匹配为使用待加工区域的模板图像进行基于灰度的模板匹配，以该模板图像的中心点作为待加工区域图像的中心点。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，采用归一化互相关系数法搜寻待加工区域在图像中的具体位置，得到模板匹配结果。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，利用工业相机坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，将该模板匹配结果的图像坐标点转化为数控机床坐标系平面内的位置，作为待加工区域的中心点在数控机床中的具体位置。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤(3)中，根据所述步骤(2)获得的待加工区域位置在数控机床中的具体位置为矩形中心点，以线激光扫描仪沿x方向的扫描范围为矩形宽度，以线激光扫描仪沿y方向的扫描范围为矩形长度，矩形宽度和矩形长度围合的区域即为矩形区域，以该矩形区域作为线激光扫描仪的扫描区域，并根据固定的合适扫描高度进行扫描。
[0022]作为本专利技术的进一步改进，所述矩形宽度大于待加工区域的实际宽度，或者，多次扫描并采用拼接方式获得待加工区域的完整点云信息。
[0023]作为本专利技术的进一步改进，所述矩形长度大于待加工区域的实际长度。
[0024]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤(3)中对点云信息进行点云直通滤波处理，提取待加工区域以外的点云信息，通过曲面拟合的方式获得重构加工曲面模型包括：
[0025](3.1)对扫描线点云进行预处理；
[0026](3.2)沿点云的y方向进行直通滤波以去除待加工区域的点云信息，保留整体点云信息两端适当长度的部分；
[0027](3.3)在直通滤波后的点云中，沿y方向提取整列点云作为曲线拟合的数据点，并使用该列点云进行B样条曲线拟合，沿x方向以适当步长逐列重复该B样条曲线拟合步骤，并将拟合所得的样条曲线依次拼接，以从曲线到曲面的方式进行曲面拟合直至完成整个点云的重构，获得重构加工曲面模型。
[0028]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤(4)中根据获得的重构加工曲面模型生成铣削加工轨迹包括：
[0029](4.1)利用线激光扫描仪与数控机床间的标定结果，将所述步骤(2)中待加工区域的中心点在数控机床坐标系平面内的位置转化为线激光扫描仪坐标系里的坐标点，并以该点作为起点构建阿基米德螺旋线；
[0030](4.2)螺旋线在一个臂长方向相邻点间的距离根据进给本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种几何自适应加工设备，其特征在于，包括：柔性夹具，所述柔性夹具包括相对设置的固定顶针阵列和移动顶针阵列，所述移动顶针阵列能够靠近或背离所述固定顶针阵列运动，所述固定顶针阵列与移动顶针阵列之间用于装夹加工件，所述加工件上具有待加工区域；工业相机，用于获取所述待加工区域及其周围的图像；线激光扫描仪，用于获取待加工区域及其周围的加工件局部表面形貌三维点云信息，所述线激光扫描仪连接线激光扫描仪控制器；PLC；所述工业相机、线激光扫描仪控制器、PLC均通过以太网交换机与工控机相连接，完成局域网组网。2.一种几何自适应加工方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的几何自适应加工设备，包括以下步骤：(1)使加工件的待加工区域位于固定顶针阵列与移动顶针阵列之间，并使待加工区域朝上设置，装夹固定加工件；(2)数控机床的主轴移动至工业相机的拍摄位置，通过工业相机获取待加工区域及其周围的图像，通过模板匹配方式获得图像中待加工区域的图像坐标，并根据工业相机坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，计算待加工区域的数控机床坐标系坐标，作为线激光扫描仪扫描区域的位置基准；(3)根据所述步骤(2)获得的待加工区域位置，规划线激光扫描仪的扫描区域和扫描路径，获得待加工区域及其周围的加工件局部表面形貌三维点云信息，对点云信息进行点云直通滤波处理，提取待加工区域以外的点云信息，通过曲面拟合的方式获得重构加工曲面模型；(4)根据获得的重构加工曲面模型生成铣削加工轨迹，根据该铣削加工轨迹进行加工，使待加工区域表面平整光滑。3.根据权利要求2所述的一种几何自适应加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中的模板匹配为使用待加工区域的模板图像进行基于灰度的模板匹配，以该模板图像的中心点作为待加工区域图像的中心点。4.根据权利要求3所述的一种自主寻位及几何自适应加工方法，其特征在于，采用归一化互相关系数法搜寻待加工区域在图像中的具体位置，得到模板匹配结果。5.根据权利要求4所述的一种自主寻位及几何自适应加工方法，其特征在于，利用工业相机坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，将该模板匹配结果的图像坐标点转化为数控机床坐标系平面内的位置，作为待加工区域的中心点在数控机床中的具体位置。6.根据权利要求2
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【专利技术属性】
技术研发人员：薛立伟，陈立国，徐雨生，刘银龙，黄泰森，
申请(专利权)人：苏州迪纳精密设备有限公司，
类型：发明
国别省市：